Vorlesung 4 Flashcards
Wasserhaushalt
Hydrosphere
Definition Hydrosphere
- Teilhülle der geographischen Hülle der Erde, umfasst deren Ober- und unterirdischen Wasservorkommen
- durchdringt die Atmosphäre, die Lithosphäre, die Biosphäre und die Pedosphäre–> hierzu gehören die Weltmeere, Flüsse,Seen, Grundwasser und Wasser in der Atmosphäre
- Sie bedeckt ca. 75% der Erdoberfläche und beeinflusst das Klima und die Biosphäre in grundlegender Weise
- spielt eine wesentliche Rolle im globalen Co2 Kreislauf
Verteilung Wasservorrat auf der Erde
Ozeane Eiskappen/Gletscher Grundwasser Flüsse Pedosphere (Bodenfeucht) Atmo Biosphere
1370 km^3 x 1.000.000; 97,25% 29; 2,05% 9,5; 0,68% 0,125; 0,01% 0,065; 0,005% 0,013; 0,001% 0,0006; 0,00004%
was ist meerwasser chemisch gesehen ?
salinität von ?
Gefrierpunkt?
wässrige lösung
3,5%
-1,9
aktuelle Fakten/Fragen
- Konfliktpotential
- Umweltprobleme im ökosytsem erde
1.
-2 miliarden menschen ohne direkten zugang zu trinkwasser
-wie kann bie wachsenden bevölkerung bedarf gedeckt sein
-gewohnheit:ist sauberes trinkwasser in
deutschland selbstverständlich
- globaler ökol. Wandel u.a. verönderung ansteigender Meeresspiegel?
- ausdehnung trocken- salzwüste
- weltweit nur 5% abwässer gereinigt
3.
-garantiert geografische lage Wohlstand?
rolle umwelttechnik in wasserversorgung –> deutschland = Marktführer
Komponenten Klima
-obwohl Klima gewöhnlich als Phänomen der Atmosphäre beschrieben, ist es sehr komplexe Interaktion von multiplen Komponenten wie Atmosphäre, Hydrosphäre, Cryosphere, Biosphäre,Pedosphere, Lithosphere
- viele der Interaktionen innerhalb / zwischen den Spheren = nicht lineare Prozesse
- diese bestimmen zsm mit Sonneneinstrahlung das Klima
Klima Bildhaftebeschreibung
Klima= gigantischer wärme-getriebener Motor der seine Energie von der Sonne enthält
- E zufuhr hängt ab von Winkel (breitengradabhängig)
- dynamischer Klimamotor durch atmospherische / hydroseherische Zirkulation
- -> bewirkt Verteilung E, und zum teil auch E-austausch zwischen Breitengraden
Kreislauf des Wassers
H2O befindet sich in ewigem Kreislauf der durch Sonnenenergie in Gang gehalten wird
Atmospherische Zirkulation
Thermik?
Globale verteilung des Niederschlags,
entsteht im wesentlichen durch unterschiedlich starke Erwärmung der Erde am Äquator und an den Polen
Bodentief: Dichte der Luft sinkt in Bodennähe, da bodennahe Luft erwärmt wird –> die warmluft löst sich vom boden und steogt auf
Beziehung zw Abfluss und Verdunstung in Abhängigkeit von der Niederschlagsmenge
Evaporation erreicht eine obere Grenze, die von der Einstrahlung abhänig ist , dadurch wird der Anteil an abfliessendem und versickerndem wasser mit zunehmendem Niederschlag größer
Wasser und Pflanzenproduktivität
ab ca. 100 cm jährlichem Niederschlag & am besten bei 23 °C
Chemie des Wassers
mit Bezug zum globalen ökologischen Wandel
- das Meer speichert mehr CO2 als die atmosphere und die landbiosphere (Pflanzen/Tiere)
- noch mehr CO2 in Lithosphere, in Gesteinen gebunden u. a. in Klakstein
Einfluss CO2 auf die hydrosphere
CO2–> 2CO2–> 3CO2
pH sinkt von 8,15 auf 7,76
Einfluss Temp. auf Löslichkeit von CO2 in H2O
- Gase lösen sich schlechter im Wasser mit zunehmendem Druck, Salzgehalt und zunehmender Temperatur
- das Wasser der Meere und Seen speichert 0,14 % des gesamten CO2 der Erde
- CO2 wird bei hohem pH zunehmend in HCO3minus überführt
Chemie des Wassers
kommt auf der Erde in allen 3 Aggregatzuständne vor, welche ?
bei welcher Temp hat H2O größte Dichte?
frieren Seen/Ozeane vollständig? warum?
Wasser in bezug auf die Temperaturen auf der Erde?
mit was hängt die Wassertemperatur. u.a. zum?
fest: Eis, flüssig: Wasser, Gasgörmig
bei 4°C ( 1kg/dm^3)
nein, Eis schwimmt oben
gleicht sie aus
mit der Speicherfähigkeit für das Treibhausgas CO2
Chemie des Wassers
was führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ?
zu was führen Wasserstoffbrücken noch ?
Polarität der Wassermoleküle
zur Clusterbildung–> Kohäsion
- hoher Schmelz- Siedepunkt
- große Wärmekapazität
- große Verdampfungsenthalpie
- hohes Dipolmoment
- flüssiges Wasser auf der Erdoberfläche
- Puffer gegen Temperaturschwankungen
- Kühlender Effekt der Transpiration
- hervorragendes Lösungsmittel von polaren Stoffen
Sukzession des Lebens führet von Wasser an Land
Anpassung des Wasserhaushalts von Pflanzen an das Landleben
wasserlebende niedere Algen mit nicht vakuolisiertern Zellen zu ?
vakuolenführende Thallophysten zu ?
an was sind hygrophytische Moose noch gebunden ?
dank was sind die meisten Sprßpflanzen homoiohyder?
- primär poikilohydren Luftalgen
- homoiohydren Kormophyten
- Standorte mit hoher Luftfechte
- dank der Ausstattung mit einem kutikulären Transpirationsschutz und starker Vakuolisierung ihrer Zellen
Poikilohydre Pflanzen !
Beispiel?
wechsel feuchte Pflanzen (Tropophyten)
- Wasserhaushalt hängt von äußeren Bedingungen ab
- keine anatomische einrichtung zur regulation wasserhaushalt
- kleine zellvakuolen
- inaktiver Trockenzustand zur überdauern, weitgehend trockenresitent
- -> pflanze von Jericho
homoiohydre Pflanzen !
eigenfeuchte Pflanzen
- bilden vorwiegende Vegetation des Festlands
- sind Gefäßpflanzen: Wurzel, Stängel,Blatt
- besitzen besondere Einrichtung zur Wasserregulation
- weitgehend unabhängig von Umgebung
- große Zellvakuolen mit Wasserspeicher
Wassernutzung von Tier und Pflanze !
Leben ist gebunden an wässriges Millieu
Probleme der Landpflanzen?
- -protoplasma aktiver zellen : 85-90%
- reife samen: 5-15% wasser - -Wassergehalt bei trockener Luft auf hohem Sättigungsniveau zu halten + gleichzeitig Austausch CO2 mit Luft zur Versorgung der Photosynthese aufrechtzuhalten
-deutliche Anreize leben auf Land (trotz vertrocknungs, verhunger Gefahr):
Diffusion von CO2 in Luft ist 10.000 x schneller als in Wasser
-In Evolution keine Membran erfunden die CO2 durchlässig und H2O undruchlässig ist
(Molekular Gewicht co2 > H20)
-Verfügbarkeit von CO2 gab anreiz leben an land
–> dazu mechanismen entwickelt für regulierung Wasserhaushalt
Wasserhaushalt Tier/Pflanzen
für Tiere (37°C, Warmblüter) sieht welt anders aus
- o2 gradient beträgt 50.000ppm
- wasserdampfgesättigte Luft wird ausgeatmet, somit wasserdampfgradient zur atmosphere ebenfalls 50.000 ppm
- warmblüter verliert pro mol aufgenommenem O2 nur 1 mol H2O
- Kaltblüter Bilanz = günstiger ca. 0,2
Pflanzen ökologisch sehr erfolgreich
welche Probleme müssen überwunden werden ?
- Trockenheit (H2O-Mangel)–> sonora-halbwüste kalifornia
- salinität (H2O-Mangel)–> avicennia marina l. in Ägypten
- Trockenheit und Salinität (H2O-Mangel)–> atlantische Meeresküste bei Ebbe
- H2O- Überangebot –> Nebelwald mit tillandsia usneoides (Merida Venezuela)
Der Weg des Wassers
Wasser wandert passiv entlang des Konzentrationsgradienten von frei verfügbarem Wasser (=Wasserpotentialgradient)
Wasser ist dann frei verfügbar wenn es nicht durch Druck u.a. Gravitation, Temp., in Lösung befindlicher Teilchen oder durch polare Gruppen nicht gelöster Substanzen in seiner freien Beweglichkeit eingeschränkt ist
Diffusion
Fick´sche Gesetz
die treibende Kraft der gerichteten Bewegung
Js =-Ds(delta Cs/ delta x)
Js= Menge an Substanz pro Fläche und Zeit (mol/m^2xs)
Wasserpotentialkonzept
chem. Potential = ?
Zusammenhang Wasserpotential / chmische Pot. des wassers
Wasserpotential ist eine vom chemischen Potential des Wassers abgeleitete Größe mit der Einheit eines Druckes (Pa,MPa,bar)
molare freie Enthalpie des Wassers
wie das Wasserpotential ist das chemische Potential des Wassers ein quantitatives Maß für die Wasserverfügbarkeit oder für die Fähigkeit des Wassers Arbeit zu leisten
gelöste Stoffe in Wasser verringern das chemische Potential negativ
Wasserpotential
beschreibt Wasserzustand einer Pflanze , des Bodens oder der Atmosphere
Komponenten des Wasserpotentials ψ
leitet sich von Druck- Konzentrationsabhängigkeit des Wasserpotentials ab + tatsache dass Wasset an feste Substanz gebunden sein kann
–> bei Bäumen: spielt auch potentielle E eine rolle
ψ= P-π-τ+pw*g*h P= Hydrostatischer Druck π= Osmotischer Druck τ= Matrixpotential pw*g*h (ψg)= Gravitationspotential pw= dichte, g= Erdbeschleunigung, h= höhe
in was wird das Wasserpotential gemessen ?
in Druck MPa
Pfeffersche Zelle
Van´t Hoffsches Gesetz
der osmotische Wert π ist proportional der Konzentration der gelösten Substanz
π=c* R*T
c= Konzentration R= allgemeine Gaskonstante T= Kelvin
Tugor hat beduetung für das primäre wachstum der Zelle
Höfler Diagramm
Grenzplasmolyse
Grenzplasmolyse, bei Pflanzen ein Verfahren zur Bestimmung des osmotischen Potenzials des Zellsaftes, indem die Konzentration der Außenlösung ermittelt wird, die gerade noch, d.h. im Gewebe bei 50 % der Zellen, Plasmolyse(durch Osmose verursachte Wasserentzug aus einer Pflanzenzelle, die sich in einem hyperosmotischen Außenmedium (Plasmolyticum) befindet) hervorruft
Hypotonisch
Isotonisch
Hypertonisch
- Der Ausdruck hypoton bezeichnet dabei in der Biologie und Chemie eine Lösung mit geringerem osmotischen Druck als ein Vergleichsmedium. Dabei ist hypo das griechische Wort für “unter”. Bringt man nun eine Zelle in eine hypotone Lösung, dann diffundiert Wasser netto in die Zelle. Diese Zelle wird dadurch immer voller, schwillt an und kann dadurch sogar zum Platzen gebracht werden.
- Eine isotonische Lösung ist eine Lösung mit gleicher Konzentration
- Das hyperton steht für “über” aus dem Griechischen. Darunter versteht man eine Lösung mit höherem osmotischen Druck als ein Vergleichsmedium. Bringt man eine Zelle nun in eine hypertonische Lösung, dann verliert diese Zelle Wasser an die Umgebung. Grund: Die Wasserkonzentration in der Zelle ist höher als im umgebenden Medium. Durch den Wasserverlust schrumpft die Zelle zusammen. Geschieht dies über einen längeren Zeitraum kann die Zelle durch diesen Vorgang absterben.
Wasserpotentialgradient entlang eines Baumes
nimmt von Wurzeln zu Spitze ab
von -0,3MPa in den Wurzeln bis -7,0 MPa in den Blättern und dann in die außenherum liegende Luft mit -100 MPa
was ist die treibende Kraft für die Transpiration ?
das Wasserpotential der Atmosphäre
Rechenbeispiele !!! Seite 25 -
26
Zusammenhang Wasserpotential mit der Luftfeuchte
umso weniger Luftfeuchte (gleichgewichtsstellung mit osmotische Potential), desto höher MPA
Transpirationssog?
Unter Transpirationssog versteht man jene Kraft, die durch die Wasserabgabe der Blätter einer Pflanze entsteht: Über die Spaltöffnungen der Blätter verdunstet Wasser und es entsteht ein Sog, der dafür sorgt, dass das Wasser aus der Wurzel durch die Xylemgefäße nach oben gezogen wird. Dabei können enorme Höhen entgegen der Schwerkraft überwunden werden, weil die starken Kohäsionskräfte des Wassers auch die Ausbildung eines Unterdrucks erlauben
Weg des Wassers in die Pflanze
- Bodenlösung ist stark verdünnt gegenüber dem osmanischen Wert der Zelle
- Wurzelhaare bewirken Stare Oberflächenvergrößerung
- Wasser kann apoplastisch und symplastisch eindringen
Transportwege in der Wurzel
über Wurzelhaare
apoplastisch: außerhalb des Cytosols, die Diffusion der Assimilate in dem freien Diffusionsraum in den Zellwänden nach aktiver Übergabe durch das Plasmalemma
symplastisch: Transport innerhalb des durch Plasmodesmen verbundenen Cytoplasmas der Zellen pflanzlicher Gewebe (Symplast) erfolgt
transmembran Route: Transport durch Biomembran
